专利名称：便携式空间相对坐标及距离测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种坐标测量系统，具体是一种便携式空间相对坐标及距离测量系统。属于机器人技术领域。
背景技术：
目前的坐标测量机主要面向现代制造业，在提高产品质量、缩短生产周期及新产品开发中起着重要的作用，成为现代工业检测、质量控制和制造技术中不可缺少的测量工具。已经获得比较广泛应用的坐标测量机主要有桥式测量机、水平臂式测量机、悬臂式测量机、龙门式测量机等。这类面向现代制造业的坐标测量机一般具有极高的结构刚度、高加速度率及极快的轴向运动，加上控制系统软件和高测量精度，所以系统相当复杂庞大，成本很高，配有专用的计算机，并且都是固定安装的，不能用于异地的测量及机器装配、调试现场。另外，面向现代制造业的各种坐标测量机的设计都是具有很强的针对性的，这限制了它们的普遍应用。然而，在实验室及小型的工厂中，加工及调试设备过程中依然采用传统的直尺、卡尺甚至卷尺，精度低并且十分不便。尤其在调试设备过程中，需要量取某些部件的三维相对位置及距离时，由于被调试设备一般都很紧凑，传统的直尺、卡尺就丧失了用武之地，一般只能用目测估计。经文献检索发现，在http//www.romer.com/main/index.php网页上介绍了法国ROMER公司近几年生产的几款臂杆式坐标测量机已经能够将主体拆开，装入两个手提箱内(一个装电脑，另一个大的装测量机机械部分)，目的在于实现“便携”以适应变工作现场的需要。但是其价格昂贵，随机配备的计算机要装置专门的软件，体积偏大，每次搬移后都需要重新组装、连接、校正，仍然不够方便。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种便携式空间相对坐标及距离测量系统。使其可大众化的面向实验室及小型工厂，结构简单、操作便捷，可以很容易地测取空间两点的三维相对坐标及空间距离，特别适合实验室及工厂进行精度要求不是很高的空间三维相对坐标测量。同时本发明是一个完整独立的系统，可以采用电池供电并且机构可以折叠，体积很小，所以可以方便携带、随处移动及完成野外作业。每次使用都不需要重新装配。
本发明是通过以下的技术方案实现的，本发明包括三大部分测量机机械本体、多芯电缆、手持器，测量机机械本体与手持器通过多芯电缆连接。测量机机械本体是一个五自由度的5R串联开链机构，该机构各关节转动副处都设有角度传感器，手持器中嵌入了一个完整的微处理器系统，对机构关节上的角度传感器通过多芯电缆传来的信息进行实时转换、解算并刷新显示结果。本发明属于手动型接触式三坐标测量机。
测量机机械本体是一个五自由度的5R串联开链机构，包括本体机座，第一角度传感器，第二角度传感器，第三角度传感器，第四角度传感器，第五角度传感器，转台，第一连杆，第二连杆，第三连杆及测量头。各角度传感器的外壳及轴分别固定在相邻的零件上，间接实现了各相邻零件间的转动副功能。通过检测角度传感器的输出，直接获得各关节的关节角。它们的连接关系为本体机座水平放置，第一角度传感器外壳连接到本体机座上，其转轴方向垂直，与转台相连。第二、第三、第四角度传感器转轴方向水平并且相互平行，它们的外壳及转轴分别与转台、第一连杆，第一、二连杆，第二、三连杆相连。第五角度传感器外壳与第三连杆相连，转轴与第四角度传感器转轴方向正交，与测量头连接。
手持器中的微处理器系统可以采用任意一款单片机构成。微处理器系统对机构关节转动副上的各角度传感器通过多芯电缆传来的信息进行采样、转换以获得当前状态下机械本体各关节的关节角、实时机构正向运动学解算并刷新显示结果。微处理器系统的内存中主要有两组矢量X、XD。其中X为实时机构正向运动学解算出来的测量头尖端在基础坐标系中的绝对三维坐标；XD为按手持器上的“零位”键时得到的参考基点(按下“零位”键时，测量头尖端的位置)在基础坐标系中的绝对三维坐标。矢量X-XD的三个分量即为测量头尖端相对参考基点的三维坐标，而模|X-XD|即为这空间两点的距离。将矢量X-XD的三个分量及标量|X-XD|在数显系统显示，可立刻知道当前测量头尖端相对参考基点的空间相对坐标及距离，十分方便直观。
本发明在测量时，将测量机机座稳定放置在待测量点附近。操作者手持该发明的测量头用其尖端先触及需要测量的测量点，按一次手持器上的“零位”键；再触及需要测量的测量点，数码显示器(LED或LCD)就显示了两个测量点的空间相对坐标及距离。本发明最方便的就是对测量机机械本体的定位安置没有任何要求。可以随处移动，随处放置，只要保证待测量点都在测量机的可达空间之内及测量时测量机机械本体机座稳定不动即可。
采用本发明可以很容易地测取空间两点的三维相对坐标及空间距离，特别适合实验室及工厂进行精度要求不是很高的空间三维相对坐标及距离测量。因为它是一个完整独立的系统，可以采用电池供电并且机构可以折叠，所以可以方便携带、随处移动及完成野外作业，提高了测量精度并且十分方便。
图1本发明结构示意2本发明测量机机械本体的结构示意3本发明工作示意图具体实施方式
如图1所示，本发明包括三大部分测量机机械本体1、多芯电缆2、手持器3。测量机机械本体1与手持器3通过多芯电缆2连接。测量机机械本体1是一个五自由度的5R串联开链机构，手持器3中嵌入了一个完整的微处理器系统，对机构关节上的角度传感器通过多芯电缆2传来的信息进行实时转换、解算并刷新显示结果。
如图2所示，测量机机械本体1是一个五自由度的5R串联开链机构，包括本体机座4、第一角度传感器5、转台6、第二角度传感器7、第一连杆8、第三角度传感器9、第二连杆10、第四角度传感器11、第三连杆12、第五角度传感器13及测量头14。该5R串联开链机构最末的连杆就是测量头14。它们的连接关系为本体机座4水平放置，第一角度传感器5外壳连接到本体机座4上，其转轴方向垂直，与转台6相连，第二、第三、第四角度传感器7、9、11转轴方向水平并且相互平行，它们的外壳及转轴分别与转台6、第一连杆8，第一、二连杆8、10，第二、三连杆10、12相连，第五角度传感器13外壳与第三连杆12相连，转轴与第四角度传感器11转轴方向正交，与测量头14连接。
角度传感器5、7、9、11、13的外壳及轴分别固定在相邻的连杆上，间接实现了各相邻连杆间的转动副功能，角度传感器采用高精度码盘，或者采用高精度电位器。
手持器3共有4组数码显示器，分别显示三维坐标和距离。手持器3配置“零位”功能键，通过4组数码显示器分别显示测量头14尖端实时位置相对已设定“零位”的相对坐标和距离。
权利要求
1.一种便携式空间相对坐标及距离测量系统，包括测量机机械本体(1)、多芯电缆(2)、手持器(3)，其特征在于，测量机机械本体(1)与手持器(3)通过多芯电缆(2)连接，测量机机械本体(1)是一个五自由度的5R串联开链机构，手持器(3)中嵌入了一个完整的微处理器系统，对测量机机械本体(1)机构关节上的角度传感器通过多芯电缆(2)传递的信息进行实时转换、解算并刷新显示结果。
2.根据权利要求1所述的便携式空间相对坐标及距离测量系统，其特征是，测量机机械本体(1)是一个五自由度的5R串联开链机构，包括本体机座(4)、第一角度传感器(5)、转台(6)、第二角度传感器(7)、第一连杆(8)、第三角度传感器(9)、第二连杆(10)、第四角度传感器(11)、第三连杆(12)、第五角度传感器(13)及测量头(14)，该5R串联开链机构最末的连杆就是测量头(14)，它们的连接关系为本体机座(4)水平放置，第一角度传感器(5)外壳连接到本体机座(4)上，其转轴方向垂直，与转台(6)相连，第二、第三、第四角度传感器(7)、(9)、(11)转轴方向水平并且相互平行，它们的外壳及转轴分别与转台(6)、第一连杆(8)，第一、二连杆(8)、(10)，第二、三连杆(10)、(12)相连，第五角度传感器(13)外壳与第三连杆(12)相连，转轴与第四角度传感器(11)转轴方向正交，与测量头(14)连接。
3.根据权利要求2所述的便携式空间相对坐标及距离测量系统，其特征是，角度传感器(5)、(7)、(9)、(11)、(13)的外壳及轴分别固定在相邻的零件上，角度传感器采用高精度码盘，或者采用高精度电位器。
4.根据权利要求1所述的便携式空间相对坐标及距离测量系统，其特征是，手持器(3)是一个采用任意一款单片机实现的的嵌入式系统。
5.根据权利要求4所述的便携式空间相对坐标及距离测量系统，其特征是，手持器(3)配置“零位”功能键，通过4组数码显示器分别显示测量头(14)尖端实时位置相对“零位”的相对坐标和距离。
全文摘要
一种便携式空间相对坐标及距离测量系统。属于机器人技术领域。本发明包括测量机机械本体、多芯电缆、手持器，测量机机械本体与手持器通过多芯电缆连接，测量机机械本体是一个五自由度的5R串联开链机构，手持器中嵌入了一个完整的微处理器系统。采用本发明可以很容易地测取空间两点的三维相对坐标及空间距离，特别适合实验室及工厂进行精度要求不是很高的空间三维相对坐标及距离测量。因为它是一个完整独立的系统，可以采用电池供电并且机构可以折叠，体积很小，所以可以方便携带、随处移动及完成野外作业，每次使用都不需要重新装配，提高了测量精度并且十分方便。
文档编号G01B21/00GK1546946SQ20031010934
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者宁柯军, 杨汝清 申请人:上海交通大学